2024, Vol. 46
2. 广东省智能网联新能源汽车安全检测与维护工程技术研究中心，广东 广州 510000;
3. 广东工业大学 材料与能源学院，广东 广州 510000;
4. 万锦新能源科研院（佛山）有限公司，广东 佛山 528000
2. Guangdong Engineering Research Center of Safety Inspection and Maintenance of Intelligent Connected New Energy Vehicle, Guangzhou 510000, China;
3. School of Materials and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510000, China;
4. Wanjin New Energy Research Institute (Foshan) Co., Lt.d, Foshan 528000, China
在各国纷纷加入海洋资源勘探领域和“海洋强国”的大背景下，探索、研究海洋资源的技术开始飞速发展。其中，水下无人航行器（Unmanned Underwater Vehicles，UUV）的出现为挖掘海洋资源提供了重要的技术支撑。UUV通过使用外接传感器扩大人类对水下环境的认识和控制，其在海洋石油和天然气、造船、渔业、沿海水产养殖、海上风能、海洋旅游、航运、波浪能和潮汐能等领域都有着广泛运用[1]
UUV包括遥控潜航器（Remote Operated Vehicle，ROV）、自主潜航器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）、水下滑翔机（Autonomous Underwater Glider，AUG）、剖面浮标等，由于搭载的感知设备增加，供电需求随之增加[2]。同时，为应对全球气候变暖，减少对化石燃料的依赖，研究利用清洁能源船舶辅助系统具有革新性和代表性。
目前，大部分UUV主要采用自带能源供给，但受体积、重量的限制，UUV携带能源有限，不能很好地满足探测、监测、通信等电子系统在水下长时连续工作对能源的需求。在研发过程中，如何实现UUV的能源供给和储存成了绕不开的难题，发电和储能技术直接关系到航行器的工作效率。海洋中蕴含着丰富的海水温差能、波浪能、潮汐能、海流能等资源，可被利用持续为UUV提供能源。其次，储能系统是UUV连续工作时间和能源利用的保证。具有较高比能的锂系电池(锂离子、锂聚合物及锂/金属氧化物电池）和燃料电池、金属半燃料电池均具有实际应用价值和广阔的发展前景[3]。
近年来，科研机构和科学家们致力于新能源和电力系统的研究，目前已取得很大进展。基于上述背景，本文综述UUV的发电技术[4]，包括海洋热能和环境能源的利用。同时，对储能系统也进行总结。
1 海洋热能发电 1.1 海水温差发电受太阳光照，热量在海水中积聚。不同深度的温度和热量变化很大。在热带或亚热带地区，海水在0～50 m深的位置温度约24～29℃，但在500～1000 m深处温度约4～7℃。将近20℃的温差形成海洋的温度梯度，并产生海洋热能[4]。作为大型海洋热能收集设备，OTEC热力循环系统已经比较成熟。一些研究人员已经对OTEC的小型化进行研究，但对于UUV应用而言，基于热力学循环的UUV尚未突破概念研究阶段。
斯特林发动机作为热机，将热能转化为机械功，可从海洋中的热梯度产生能量，转化为电力。斯特林发动机有多种，使用不同的几何配置，如阿尔法、贝塔和伽玛类型。图1为一种伽玛型斯特林发动机的几何结构和工作原理，包括由气体的压缩和膨胀推动的动力活塞、置换活塞、热回收器、外部热源和外部散热器。Martaj等[5]开发了一种斯特林发动机，其工作温度差约为11℃（类似于海洋热梯度），效率为0.28%。
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图 1 伽玛型斯特林发动机的几何结构和工作原理 Fig. 1 Geometry and operation principle of a gamma-type Stirling Engine |
基于PCM的电能存储UUV工作原理是将热能转化为势能(由蓄能器存储)，进一步转化为电池能量。一种典型的基于PCM的UUV热电转换装置如图2所示。首先，热机温度高于PCM熔点时，内胆注满液压油；随着UUV的下沉，水温降低至凝固点后，PCM固化并体积缩小，内胆中的液压油进入热机；当UUV上升时，水温升高至高于熔点后，PCM融化对液压油施加压力，使其流入储存液压能量的蓄能器；当蓄能器达到预定的最大压力时，电磁阀打开，油液从蓄能器流入液压马达，液压马达将液压能转化为旋转机械能，使发电机转动。当蓄能器达到预定最小压力时，电磁阀关闭，完成一个能量生成周期。天津大学开发了一种基于PCM耦合温差发电机的滑翔机（见图3（a））。在每个能量循环中，6 kg PCM可产生1.86 Wh电量[6]。由SEATREC公司开发的Navis-SL1型浮式水下无人潜航器在最大作业深度为1000 m时，每次下潜产生2.2 Wh电量（见图3（b）） [7]。
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图 2 基于PCM的电能储存示意图 Fig. 2 Schematic diagram of PCM-based electrical energy storage UUVs |
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图 3 OTEC-PCM的结构示意图 Fig. 3 Section view of OTEC-PCM |
TEG热电材料利用塞贝克效应直接将热能转化为电能。基于TEG的UUV利用PCM等与周围流体间接触的热存储来产生海洋发电所需的温差。当设备处于一边低温、一边高温状态时，设备的高温一侧向低温一侧传导热量，产生热流。流入装置的一部分热能转化为电能，被外部负载带走。
在海洋表面时，TEG的上部温度高于与储热体接触的底部温度（见图4（a））。当UUV下潜时，由于储热，TEG上部的温度低于底部（见图4（b）），储存材料和外部深度温度之间的热梯度为使用TEG的UUV提供动力。TEG的优点是可靠、运行平稳和简单。Liu[8]利用深海与海面之间的微弱温差设计了一个热-电电站。结果表明，该电力系统比传统的OTEC电厂经济得多。Lee等 [9]提出一种利用太阳能和TEG的复合能量收集技术，可以从太阳能和深海海水与阳光之间的温差中获取电力，该能量收集装置每天可从太阳能获得8.4 Wh，从TEG获得0.4 Wh。一些学者尝试将该技术小型化，并将其应用于UUV的驱动或动力。Buckle等[10]设计了一种用于AUV的热电发电装置，其结构如图4（c）所示。该装置可在AUV上升和下降过程中提供的温差发电。Carneiro等[11]提出一种带温差电池的储能材料串联结构建立了水下滑翔机体中TEG的完整模型。此外，对储热材料(PCM、海水和金属)的热再生效果进行模拟，结果表明PCM的热再生效果最稳定，平均每29 kg热能存储材料可生产1.67 Wh电量（见图4（d））。
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图 4 用于UUV的TEG系统概念设计 Fig. 4 Conceptual design of TEGs applied to underwater vehicles. |
广义上的海洋能源，包括海上风能、太阳能和海洋能，海洋能也指潮汐、波浪、海洋温差能等。与传统能源相比，此类发电方式产生的化学污染和二氧化碳等废物更少，且具有相当的发电潜力。利用海洋可再生能源发电可克服传统缆索法中，缆索限制无人航行器活动范围、能源转换率低等缺陷，且该能源易获得、清洁环保，是未来航行器供电的主流方案。
2.1 风能目前，风能在船舶方面实际和潜在的应用主要有风帆助航、风力发电、风能致热等，其中风帆助航是目前研究和使用最为广泛的利用方式。
但风能发电方式由于其结构性缺陷，导致其在UUV上的应用存在较大局限性：1）风能发电的无人航行器在水下运行时，需利用回收机构回收风帆，增加了系统的复杂性和体积；2）当蓄电池的电量不足时，需重新浮出水面；3）风能发电受天气、风向、风速等不定性因素影响较大，易导致风机老化、汇流箱收集功率不断变化等问题，大大降低了风能发电的可靠性。未来海上风能发电会多用于水面无人航行器和海岛风力发电领域，在水下航行器的推广难度较大。
2.2 太阳能太阳能总量巨大，太阳能发电技术已在商业和住宅发电领域被验证，因此，也是最早被用于UUV发电的清洁能源之一。可利用太阳能电池板或间接使用集中太阳能发电系统将太阳能转化为电能并加以利用。俄罗斯海洋技术问题研究所和该国科学院合作研发了由太阳能驱动的无人航行器SAUV-І，其电力系统由太阳能阵列、微处理器、电池气体表和充电控制器以及镍镉电池组成（见图5（a））[12]。SAUV-II是由AUSI、法尔茅斯科学公司研发的无人航行器，配备了1 m2的太阳能电池板和一个32 V、2 kW·h的能源系统, 输出功率可达6～18 W（见图5（b））。
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图 5 AUSI系列 Fig. 5 AUSI series |
但海平面以下的环境光线较弱，太阳能的利用和转化效率低，UUV在需要充电时浮出水面，充满电后再下潜工作，而该过程又受时间、天气、光照限制。此外，海洋表面可获得的太阳能能量随纬度、季节和天气变化显著，令太阳能发电装置发电功率具有不稳定性。
2.3 波浪能波浪能发电即通过波浪的运动带动发电机发电，将水的动能和势能转变成电能。波浪不受时间和地点限制，具有很高的功率密度和巨大的潜力，利用波浪能发电将是未来利用海洋新能源发电的研究重点。波浪能可直接为水下无人航行器提供推动力。Liquid Robotics 公司开发了通过绳索相连的、由海面浮体和水下滑翔机组成的波浪滑翔机，如图6所示。它从海浪中获取动能，通过波浪能转换装置将波浪能转换成电能输送给水下航行器，理论上可无限提供推进力，从而为自身的导航、控制、通信和有效载荷系统提供电力，并将多余的电能储存于锂离子电池[13]。目前通过引入压电陶瓷设备、旋转磁力发电机和线性磁性发电机，进一步解决现有的波浪能点吸收器装置体积大、结构复杂，不适合作为电源模块集成到船舶设备中的问题。
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图 6 波浪滑翔机的工作机理 Fig. 6 Wave glider's working mechanism. |
对于没有缆索的水下航行器，使用电池供电是一种必要的方式。原电池和二次电池，如碱性电池、锂原电池、镍镉电池电池和银-锌电池，已经应用于UUV。燃料电池和半燃料电池是近年来在UUV中发展和应用的新技术，包括聚合物电解质燃料电池和铝氧电池等。此外，电池也可采用混合方式来增加工作时间。伴随着UUV的发展，储能系统及其使用的电池在几十年来均得到了相应的提升和优化。
3.1 锂电池二次电池在为UUV提供电力方面越来越受欢迎。与原电池相比，二次电池可多次充电，使用寿命更长。二次电池的种类很多，应用在UUV中的二次电池主要有铅酸电池、银锌电池、镍镉电池、锂离子电池等。铅酸电池是最古老的二次电池，操作简单，用途广泛，但体积大，质量重。银锌电池能量密度高，但成本高，寿命短，约100～250次循环。镍镉电池广泛应用于需要大电流的场合，价格便宜，但比其他电池重；锂离子电池体积小，能提供比其他电池更高的能量，但价格昂贵，需小心充电，避免火灾和燃烧。表1提供了部分利用二次电池供电的商业化UUV。
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表 1 部分UUV搭载电池类型 Tab.1 Underwater vehicles powered by secondary batteries. |
燃料电池根据电解质的类型可分为磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和聚合物电解质燃料。但上述燃料电池并不都适合应用于UUV，合格的无人航行器用燃料电池应满足燃料易购买、易启停、废热利用安全便捷这3个基本要求。从这些方面看，聚合物电解质燃料电池对UUV来说是相对更好的选择。
1998年，日本海洋地球科学与技术厅开始研发世界第一款由聚合物电解质燃料电池驱动的智能水下航行器Urashima[14]。如图7所示，氧气装在一个独立的容器里。燃料箱位于另一个压力容器中，内含金属氢化物作为燃料。产生的氧气和氢气被输入到燃料电池系统中，通过反应产生电。西门子公司计划在现有BZM34和BZM120燃料电池模块的基础上，开发新的BZM EVO燃料电池模块，用于不依赖空气的水下航行器。
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图 7 Urashima航行器搭载燃料电池 Fig. 7 The fuel cell system in Urashima |
半燃料电池是一种金属空气电池，该类电池采用金属阳极和空气阴极，以碱性溶液或盐水作为电解质，利用金属与氧气的氧化反应产生电能，能量密度可高达500 Wh/kg。半燃料电池可利用海水作为电解质为UUV提供动力。美国海军XP-21是世界上第一款完成半燃料电池能源系统海上试验的智能UUV。该能源系统由加拿大燃料电池技术有限公司提供。此后，该公司开发了各种水下应用的高耐久性铝能源半燃料电池系统，用于加拿大海军自主遥控潜水器等。此外，为大西洋层跟踪实验智能水下航行器而开发了超高耐久能量系统。挪威康士伯集团公司开发的HUGIN 3000和HUGIN 4500分别由40 kW·h和60 kW·h的铝/氢半燃料电池供电，如图8[15]所示。
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图 8 HUGIN系列航行器 Fig. 8 HUGIN series UUV |
铝空气电池是一种高性能环保型化学电源，维护方便、寿命长，比能量高，在电动汽车、潜艇、无人船等领域有着广阔的应用前景。铝空气电池的负极是地球上丰度最高的金属元素-铝，其理论能量密度为 8.2 Wh/g，在常见金属中，仅次于锂的 13.3 Wh/g。铝的理论能量密度也高于甲醇燃料电池中甲醇的理论能量密度（6.1 Wh/g）和氢氧燃料电池中氢气能量密度。
目前，铝空气电池在推广方面还存在一定的技术难题，需从铝电极和电解液的改性、氧化还原催化剂和电池结构设计等方面进行优化。电池的结构也需适应海洋装备环境做适当的改变，比如说采用空气、或者海水中溶解的氧作为氧化剂。另一方面，若可实现铝负极产物的回收，以之作为动力源的UUV则不再需要充电站就可实现高续航里程。随着铝空气电池在性能和成本方面进一步提升，有望逐步实现在UUV领域的产业化应用。
4 结 语随着海洋开发被提升到了新的战略高度，本文从UUV的发电方式（包括海洋热能和环境能）及储能电池2个方面进行综述。作为各类UUV的主要研究痛点之一，发电技术旨在解决航行器工作和续航里程短的问题。文中介绍的发电方式均存在各自的优点和局限性，适用于不同的场合。PCM和TEG展现了一定的发电稳定性和可循环性，但提高发电效率是其重点；太阳能和风能受到的限制较多，波浪能可在海面上的任何时间和任何地方获得，并被轻松捕获并转换成电能。因此，未来的发电方式将倾向于直接使用存在于海洋中的能量进行发电，特别是温差能和波浪能这两大清洁能源。简化能量转化过程，最大限度地减少能量损失是未来利用海洋可再生能源发电的研究重点。
而随着发电技术的发展，储能系统中的电池种类也在不断变化，从早期的各类酸性和碱性电池，到当今大量使用的锂离子电池，再到极具潜力的燃料电池和半燃料电池等，都将朝着更高的比能量和更高的安全性和可靠性方向发展。如何在复杂的海洋环境下实现对UUV的电池类型搭配和安全管理，也是未来研究的热点之一。
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